Решение задач по общей биологии. Реакции матричного синтеза: репликация, транскрипция, трансляция

Какие реакции, происходящие в клетке, относят к реак­циям матричного синтеза? Что служит матрицами таких реакций?

Матричный синтез - специфическая особенность живых организмов. Матрица - образец, по которому форми­руется копия. Матричный синтез - синтез по матрице. Благодаря реакциям матричного синтеза обеспечивается точная последовательность мономеров для создания полимеров.

К реакциям матричного синтеза, происходящим в клетке, относят реакции удвоения ДНК, синтез РНК, син­тез белка. Матрицей является ДНК в синтезе иРНК и ДНК или РНК в синтезе белка. Мономерами матричного синте­за являются нуклеотиды и аминокислоты. Мономеры фик­сируются на матрице по принципу комплементарности, сшиваются и затем сбрасываются с матрицы. Реакции мат­ричного синтеза являются основой для воспроизведения себе подобных.

Какие реакции, происходящие в клетке, относят к реак­циям матричного синтеза? Что служит матрицами таких реакций?

На этой странице искали:

• мономерами реакций матричного синтеза в клетке служат
• к реакциям матричного синтеза относится
• какие реакции относятся к реакциям матричного синтеза

Матричный синтез представляет собой образование биополимера, последовательность звеньев в котором определяется первичной структурой другой молекулы. Последняя как бы выполняет роль матрицы, "диктующей" нужный порядок сборки цепи. В живых клетках известны три биосинтетических процесса, основанных на этом механизме.

Какие молекулы синтезируются на основе матрицы

К реакциям матричного синтеза относят:

• репликацию - удвоение генетического материала;
• транскрипцию - синтез рибонуклеиновых кислот;
• трансляцию - производство белковых молекул.

Репликация представляет собой превращение одной молекулы ДНК в две идентичные друг другу, что имеет огромное значение для жизненного цикла клеток (митоз, мейоз, удвоение плазмид, деление бактериальных клеток и т. д.). Очень многие процессы основаны на "размножении" генетического материала, а матричный синтез позволяет воссоздать точную копию любой молекулы ДНК.

Транскрипция и трансляция представляют собой две стадии реализации генома. При этом наследственная информация, записанная в ДНК, преобразуется в определенный белковый набор, от которого зависит фенотип организма. Данный механизм именуется путем "ДНК-РНК-белок" и составляет одну из центральных догм молекулярной биологии.

Реализация этого принципа достигается при помощи матричного синтеза, который сопрягает процесс образования новой молекулы с "исходным образцом". Основой такого сопряжения является фундаментальный принцип комплементарности.

Основные аспекты синтеза молекул на основе матрицы

Информация о структуре синтезируемой молекулы содержится в последовательности звеньев самой матрицы, к каждому из которых подбирается соответствующий элемент "дочерней" цепи. Если химическая природа синтезируемой и матричной молекул совпадают (ДНК-ДНК или ДНК-РНК), то сопряжение происходит напрямую, так как каждый нуклеотид имеет пару, с которой может связаться.

Для синтеза белка требуется посредник, одна часть которого взаимодействует с матрицей по механизму нуклеотидного соответствия, а другая присоединяет белковые звенья. Таким образом, принцип комплементарности нуклеотидов работает и в этом случае, хоть и не связывает напрямую звенья матричной и синтезируемой цепей.

Этапы синтеза

Все процессы матричного синтеза поделены на три этапа:

• инициация (начало);
• элонгация;
• терминация (окончание).

Инициация представляет собой подготовку к синтезу, характер которой зависит от вида процесса. Главной целью этой стадии является приведение системы фермент-субстрат в рабочее состояние.

Во время элонгации непосредственно осуществляется наращивание синтезируемой цепи, при котором между подобранными согласно матричной последовательности звеньями замыкается ковалентная связь (пептидная или фосфодиэфирная). Терминация приводит к остановке синтеза и освобождению продукта.

Роль комплементарности в механизме матричного синтеза

Принцип комплементарности основан на выборочном соответствии азотистых оснований нуклеотидов друг другу. Так, аденину в качестве пары подойдут только тимин или урацил (двойная связь), а гуанину - цитозин (3 тройная связь).

В процессе синтеза нуклеиновых кислот со звеньями одноцепочечной матрицы связываются комплементарные нуклеотиды, выстраиваясь в определенную последовательность. Таким образом, на основании участка ДНК ААЦГТТ при репликации может получиться только ТТГЦАА, а при транскрипции - УУГЦАА.

Как уже было отмечено выше, белковый синтез происходит с участием посредника. Эту роль выполняет транспортная РНК, которая имеет участок для присоединения аминокислоты и нуклеотидный триплет (антикодон), предназначенный для связывания с матричной РНК.

В этом случае комплементарный подбор происходит не по одному, а по три нуклеотида. Так как каждая аминокислота специфична только к одному виду тРНК, а антикодон соответствует конкретному триплету в РНК, синтезируется белок с определенной последовательностью звеньев, которая заложена в геноме.

Как происходит репликация

Матричный синтез ДНК происходит с участием множества ферментов и вспомогательных белков. Ключевыми компонентами являются:

• ДНК-хеликаза - расплетает двойную спираль, разрушает связи между цепями молекулы;
• ДНК-лигаза - "зашивает" разрывы между фрагментами Оказаки;
• праймаза - синтезирует затравку, необходимую для работы ДНК-синтезирующего фрагмента;
• SSB-белки - стабилизируют одноцепочечные фрагменты расплетенной ДНК;
• ДНК-полимеразы - синтезируют дочернюю матричную цепь.

Хеликаза, праймаза и SSB-белки подготавливают почву для синтеза. В результате каждая из цепей исходной молекулы становится матрицей. Синтез осуществляется с огромной скоростью (от 50 нуклеотидов в секунду).

Работа ДНК-полимеразы происходит в направлении от 5`к 3`- концу. Из-за этого на одной из цепей (лидирующей) синтез происходит по ходу расплетания и непрерывно, а на другой (отстающей) - в обратном направлении и отдельными фрагментами, названными "Оказаки".

Y-образная структура, образованная в месте расплетания ДНК, называется репликационной вилкой.

Механизм транскрипции

Ключевым ферментом транскрипции является РНК-полимераза. Последняя бывает нескольких видов и отличается по строению у прокариот и эукариот. Однако механизм ее действия везде одинаков и заключается в наращивании цепи комплементарно подбираемых рибонуклеотидов с замыканием фосфодиэфирной связи между ними.

Матричной молекулой для этого процесса служит ДНК. На ее основе могут создаваться разные типы РНК, а не только информационные, которые используются в белковом синтезе.

Участок матрицы, с которого "списывается" последовательность РНК, называется транскриптоном. В его составе имеется промотор (место для присоединения РНК-полимеразы) и терминатор, на котором синтез останавливается.

Трансляция

Матричный синтез белка и у прокариот, и у эукариот осуществляется в специализированных органоидах - рибосомах. Последние состоят из двух субъединиц, одна из которых (малая) служит для связывания тРНК и матричной РНК, а другая (большая) принимает участие в образовании пептидных связей.

Началу трансляции предшествует активация аминокислот, т. е. присоединение их к соответствующим транспортным РНК с образованием макроэргической связи, за счет энергии которых впоследствии осуществляются реакции транспептидирования (присоединения к цепи очередного звена).

В процессе синтеза также принимают участие белковые факторы и ГТФ. Энергия последнего необходима для продвижения рибосомы по матричной цепи РНК.

Третичная структура РНК

Вторичная структура РНК

Молекула рибонуклеиновой кислоты построена из одной полинуклеотидной цепи. Отдельные участки цепи РНК образуют спирализованные петли - "шпильки", за счёт водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями A-U и G-C. Участки цепи РНК в таких спиральных структурах антипараллельны, но не всегда полностью комплементарны, в них встречаются неспаренные нуклеотидные остатки или даже одноцепочечные петли, не вписьюающиеся в двойную спираль. Наличие спирализованных участков характерно для всех типов РНК.

Одноцепочечные РНК характеризуются компактной и упорядоченной третичной структурой, возникающей путём взаимодействия спирализованных элементов вторичной структуры. Так, возможно образование дополнительных водородных связей между нуклеотидными остатками, достаточно удалёнными друг от друга, или связей между ОН-группами остатков рибо-зы и основаниями. Третичная структура РНК стабилизирована ионами двухвалентных металлов, например ионами Mg 2+ , связывающимися не только с фосфатными группами, но и с основаниями.

При реакциях матричного синтеза образуются полимеры, строение которых полностью определяется строением матрицы. В основе реакций матричного синтеза лежит комплементарное взаимодействие между нуклеотидами.

Репликация (редупликация, удвоение ДНК)

Матрица – материнская цепочка ДНК
Продукт – новосинтезированная цепочка дочерней ДНК
Комплементарность между нуклеотидами материнской и дочерней цепочек ДНК

Двойная спираль ДНК раскручивается на две одинарных, затем фермент ДНК-полимераза достраивает каждую одинарную цепочку до двойной по принципу комплементарности.

Транскрипция (синтез РНК)

Матрица – кодирующая цепочка ДНК
Продукт – РНК
Комплементарность между нуклеотидами кДНК и РНК

В определенном участке ДНК разрываются водородные связи, получается две одинарных цепочки. На одной из них по принципу комплементарности строится иРНК. Затем она отсоединяется и уходит в цитоплазму, а цепочки ДНК снова соединяются между собой.

Трансляция (синтез белка)

Матрица – иРНК
Продукт – белок
Комплементарность между нуклеотидами кодонов иРНК и нуклеотидами антикодонов тРНК, приносящих аминокислоты

Внутри рибосомы к кодонам иРНК по принципу комплементарности присоединяются антикодоны тРНК. Рибосома соединяет между собой аминокислоты, принесенные тРНК, получается белок.

7. Образование полипептидной цепи из последовательно доставляемых к мРНК тРНК с соответствующими аминокислотами происходит на рибосомах (рис. 3.9).

Рибосомы представляют собой нуклеопротеидные структуры, в которые входят три вида рРНК и более 50 специфических рибосомных белков. Рибосомы состоят из малой и большой субъединиц. Инициация синтеза полипептидной цепи начинается с присоединения малой субъединицы рибосомы к центру связывания на мРНК и всегда происходит при участии метиониновой тРНК особого типа, которая связывается с метиониновым кодоном АУГ и прикрепляется к так называемому Р-участку большой субъединицы рибосомы .

Рис. 3.9. Синтез полипептиднои цепи на рибосоме Показаны также транскрипция мРНК и ее перенос через ядерную мембрану в цитоплазму клетки.

Следующий кодон мРНК , расположенный вслед за АУГ-инициирующим кодоном, попадает в А-участок большой субъединицы рибосомы , где он «подставляется» для взаимодействия с амино-ацил-тРНК, имеющей соответствующий антикодон. После того как подходящая тРНК связалась с кодоном мРНК, находящимся в А-участке, происходит образование пептидной связи с помощью пептидилтрансферазы, входящей в состав большой субъединицы рибосомы, и аминоацил-тРНК превращается в пептидил-тРНК. Это заставляет рибосому продвинуться на один кодон, переместить образованную пептидил-тРНК в Р-участок и освободить А-участок, который занимает следующий по порядку кодон мРНК, готовый к соединению с аминоацил-тРНК, имеющей подходящий антикодон (рис. 3.10).

Происходит рост полипептидной цепи за счет многократного повторения описанного процесса. Рибосома движется вдоль мРНК , высвобождая ее инициирующий участок. На инициирующем участке происходит сборка следующего активного рибосомного комплекса и начинается синтез новой полипептидной цепи. Таким образом к одной молекуле мРНК может присоединиться несколько активных рибосом с образованием полисомы. Синтез полипептида продолжается до тех пор, пока в А-участке не окажется один из трех стоп-кодонов. Стоп-кодон распознается специализированным белком терминации, который прекращает синтез и способствует отделению полипептидной цепи от рибосомы и от мРНК .

Рис. 3.10. Синтез полипептидной цепи на рибосоме . Детализованная схема присоединения к растущей полипептидной цепи новой аминокислоты и участие в этом процессе участков А и Р большой субъединицы рибосомы.

Рибосома и мРНК также разъединяются и готовы начать новый синтез полипептидной цепи (см. рис. 3.9). Остается только напомнить, что белки - это основные молекулы, обеспечивающие жизнедеятельность клетки и организма. Они и ферменты, обеспечивающие весь сложнейший обмен веществ, и структурные белки, составляющие скелет клетки и образующие межклеточное вещество, и белки-транспортеры многих веществ в организме, как, например, гемоглобин, транспортирующий кислород и белки-каналы, обеспечивающие проникновение в клетку и удаление из нее разнообразных соединений.

а) На рибосомах гранулярной ЭПС синтезируются такие белки, которые затем

Либо выводятся из клетки (экспортные белки),
либо входят в состав определённых мембранных структур (собственно мембран, лизосом и т.д.).

б) При этом синтезируемая на рибосоме пептидная цепь проникает своим лидерным концом через мембрану в полость ЭПС, где затем оказывается весь белок и формируется его третичная структура.

2. Здесь же (в просвете цистерн ЭПС) начинается модификация белков - связывание их с углеводами или иными компонентами.

8. Механизмы клеточного деления.

1. удвоение ДНК

2. синтез рРНК

3. синтез крахмала из глюкозы

4. синтез белка в рибосомах

3. Генотип – это

1. набор генов в половых хромосомах

2. совокупность генов в одной хромосоме

3. совокупность генов в диплоидном наборе хромосом

4. набор генов в Х- хромосоме

4. У человека за гемофилию отвечает рецессивный аллель, сцепленный с полом. При браке женщины – носительницы аллеля гемофилии и здорового мужчины

1. вероятность рождения больных гемофилией мальчиков и девочек – 50%

2. 50% мальчиков будут больны, а все девочки – носительницы

3. 50% мальчиков будут больны, а 50% девочек – носительницы

4. 50% девочек будут больны, а все мальчики – носители

5. Наследование, сцепленное с полом – это наследование признаков, которые всегда

1. проявляются только у особей мужского пола

2. проявляются только у половозрелых организмов

3. определяются генами, находящимися в половых хромосомах

4. являются вторичными половыми признакам

У человека

1. 23 группы сцепления

2. 46 групп сцепления

3. одна группа сцепления

4. 92 группы сцепления

Носителями гена дальтонизма, у которых болезнь не проявляется, могут быть

1. только женщины

2. только мужчины

3. и женщины, и мужчины

4. только женщины с набором половых хромосом ХО

У зародыша человека

1. закладываются хорда, брюшная нервная цепочка и жаберные дуги

2. закладываются хорда, жаберные дуги и хвост

3. закладываются хорда и брюшная нервная цепочка

4. закладывается брюшная нервная цепочка и хвост

У плода человека кислород поступает в кровь через

1. жаберные щели

4. пуповинный канатик

Близнецовый метод исследования проводится путем

1. скрещивания

2. исследования родословной

3. наблюдений за объектами исследования

4. искусственного мутагенеза

8) Основы иммунологии

1. Антитела – это

1. клетки-фагоциты

2. молекулы белков

3. лимфоциты

4. клетки микроорганизмов, заражающих человека

При риске заражения столбняком (например, при загрязнении ран почвой) человеку вводят противостолбнячную сыворотку. Она содержит

1. белки-антитела

2. ослабленных бактерий-возбудителей столбняка

3. антибиотики

4. антигены бактерий столбняка

Материнское молоко обеспечивает иммунитет ребенка благодаря

1. макроэлементам

2. молочнокислым бактериям

3. микроэлементам

4. антителам

В лимфатические капилляры поступает

1. лимфа из лимфатических протоков

2. кровь из артерий

3. кровь из вен

4. межклеточная жидкость из тканей

Клетки-фагоциты присутствуют у человека

1. в большинстве тканей и органов тела

2. только в лимфатических сосудах и узлах

3. только в кровеносных сосудах

4. только в кровеносной и лимфатической системе

6. При каком их перечисленных процессов в организме человека синтезируется АТФ?

1. расщепление белков на аминокислоты

2. расщепление гликогена до глюкозы

3. расщепление жиров на глицерин и жирные кислоты

4. бескислородное окисление глюкозы (гликолиз)

7. По своей физиологической роли большинство витаминов – это

1. ферменты

2. активаторы (кофакторы) ферментов

3. важный источник энергии для организма

4. гормоны

Нарушение сумеречного зрения и сухость роговицы глаз может быть признаком недостатка витамина

При реакциях матричного синтеза образуются полимеры, строение которых полностью определяется строением матрицы. В основе реакций матричного синтеза лежит комплементарное взаимодействие между нуклеотидами.

Репликация (редупликация, удвоение ДНК).

Матрица – материнская цепочка ДНК
Продукт –новосинтезированная цепочка дочерней ДНК
Комплементарность между нуклеотидами материнской и дочерней цепочек ДНК.

Двойная спираль ДНК раскручивается на две одинарных, затем фермент ДНК-полимераза достраивает каждую одинарную цепочку до двойной по принципу комплементарности.

Транскрипция (синтез РНК).

Матрица – кодирующая цепочка ДНК
Продукт – РНК
Комплементарность между нуклеотидами кДНК и РНК.

В определенном участке ДНК разрываются водородные связи, получается две одинарных цепочки. На одной из них по принципу комплементарности строится иРНК. Затем она отсоединяется и уходит в цитоплазму, а цепочки ДНК снова соединяются между собой.

Трансляция (синтез белка).

Матрица – иРНК
Продукт – белок
Комплементарность между нуклеотидами кодонов иРНК и нуклеотидами антикодонов тРНК, приносящих аминокислоты.

Внутри рибосомы к кодонам иРНК по принципу комплементарности присоединяются антикодоны тРНК. Рибосома соединяет между собой аминокислоты, принесенные тРНК, получается белок.

Этапы биосинтеза белка у прокариот и эукариот.

У прокариот синтез белка осуществляется в 2 этапа:

1) транскрипция, продукт этой реакции – мРНК;

2) трансляция, продукт этой реакции – полипептид.

Эти этапы могут протекать одновременно т. к. в клетке нет ядерной оболочки.

Процесс синтеза белка у эукариот включает 3 этапа:

1) транскрипция ДНК в про-мРНК (продукт: про-мРНК);

2) процессинг – преобразование про-мРНК в зрелую мРНК;

3) трансляция мРНК в полипептид.

В некоторых случаях для получения активного белка необходимо его химическое преобразование, которое называется посттрансляционной модификацией .

Понятие транскриптона. Особености строения транскриптона у прокариот и эукариот.

Ген вместе со вспомогательными участками называется транскриптоном , следовательно, транскриптон является наименьшей функциональной единицей генома.

Типичный транскриптон содержит: промотор – сигнал начала транскрипции, к которому присоединяется фермент РНК-полимераза; терминатор – сигнал окончания транскрипции; регуляторный участок – оператор , к которому присоединяются управляющие белки активаторы или репрессоры (соответственно облегчают и блокируют транскрипцию); структурный ген .

Строение транскриптона прокариот. У прокариот в состав транскриптона входит два участка: регуляторный и структурный . Эти участки составляют соответственно 10% и 90%. В регуляторном участке содержатся промотор, оператор и терминатор. Структурный участок может быть представлен одним либо несколькими структурными генами. В последнем случае они разделены несмысловыми участками – спейсерами. Такой транскриптон называется опероном .

У эукариот транскриптон также содержит регуляторный и структурный участки, относительная доля которых в противоположность прокариотам составляет 90% и 10%. Регуляторный участок включает несколько промоторов, операторов и терминаторов. Структурные гены могут находиться в разных частях одной хромосомы или даже в разных хромосомах. Структурный участок транскриптона имеет прерывистое (мозаичное) строение: участки, несущие информацию о последовательности аминокислот в белке (кодирующие или экзоны ) чередуются с некодирующими фрагментами (интронами ). Число интронов у различных организмов различно, но, как правило, суммарная длина интронов превышает общую длину экзонов.

Механизмы транскрипции.

Транскрипция – это процесс копирования участка ДНК в виде комплементарной ему про-мРНК (предшественник мРНК), происходит в ядре клетки. Он начинается с присоединения фермента РНК-полимеразы к промотору. ДНК на определенном участке раскручивается, происходит разрыв водородных связей между 2-мя цепями нуклеотидов, в результате образуются 2 отдельные полинуклеотидные цепи. К ним по принципу комплементарности из кариолимфы присоединяются свободные нуклеотиды. Фермент продолжает присоединять нуклеотиды до тех пор, пока не доходит до кодонов-терминаторов. По окончании транскрипции ДНК восстанавливает исходную двуцепочечную структуру, про-мРНК транспортируются в цитоплазму.